Virtuelle Referenzstation

Bei der klassischen Echtzeitvermessung (RTK) mit GPS werden dem Benutzer die Korrekturdaten einer Referenzstation zur Verfügung gestellt. Die Entfernung zwischen der Referenzstation und dem mobilen Benutzer (Rover) sollte aber eine Distanz von 15-20 km nicht überschreiten, da sonst systematische Fehlereinflüsse die Messungen stark beeinflussen. Will man also ein Netz von GPS-Permanentstationen über ein ganzes Land aufbauen, würde man so ein sehr dichtes und schliesslich auch teures Netz benötigen.

Das Konzept der virtuellen Referenzstationen bietet hier neue Möglichkeiten. Es geht vereinfacht gesagt darum, die Daten mehrerer Referenzstationen zu berücksichtigen und für die Position des Rovers Korrekturdaten zu interpolieren. Diese Methode reduziert die systematischen Einflüsse bei der RTK-Vermessung entscheidend. Dies erlaubt nicht nur, die mögliche Entfernung zwischen Referenz- und Mobilstation stark zu erhöhen, es führt auch zur Steigerung der Systemzuverlässigkeit. Fällt zum Beispiel eine Referenzstation temporär aus, werden die Korrekturdaten mit den umliegenden Referenzstationen berechnet. Die Produktivität wird durch deutlich kürzere Initialisierungszeiten ebenfalls verbessert.

1. Daten der einzelnen AGNES-Stationen fliessen im Sekundentakt ins Rechen- und Kontrollzentrum (RKZ)
2. RTK-Anwender sendet seine Näherungsposition (NMEA-String)
3. RKZ bestimmt, in welchem Dreieck sich der Anwender befindet und rechnet eine virtuelle Referenzstation (in Funktion der gesendeten Näherungsposition)
4. RKZ sendet die Daten der virtuellen Referenzstation an den Benutzer zurück (RTCM-Format)

Das Konzept der virtuellen Referenzstation ermöglicht es, gewisse systematische Fehler stark zu reduzieren:

• Ionosphäre
• Troposphäre
• Satellitenbahnen
• Multipath
• Antennenphasenzentrum

Eine Hauptfehlerquelle ist die Ionosphäre . Die Ionosphäre ist ein dispersives Milieu, dessen Einfluss frequenzabhänig ist. Die Elektronen in der Ionosphäre werden durch die Sonneneinstrahlung ionisiert, was zu Fehlern bis zu 50 m in den GPS-Messungen führen kann. Die Schwankungen der Elektronendichte in der Ionosphäre hängen vom Sonnenzyklus ab, dessen Dauer 11 Jahre beträgt. Der Einfluss nimmt mit der Anzahl Sonnenflecken zu (ein Maximum war im Jahre 2002) und macht eine effiziente Modellierung unumgänglich.

Der Einfluss der Troposphäre hängt von den aktuellen Wetterbedingungen ab (Druck, Temperatur, Luftfeuchigkeit etc.). Dieser Einfluss kann durch geeignete Modelle berücksichtigt werden.

Die Satellitenbahnen können unter Einbezug nachträglich berechneter GPS-Ephemeriden ebenfalls korrigiert werden.

Der Multipath-Effekt entsteht durch indirekte oder reflektierte GPS-Signale. Besonders heikel sind Metallflächen in der Nähe der GPS Antenne. Solche indirekte Signale können die Positionsbestimmung verfälschen. Eine effiziente Modellierung ist im Falle des Multipath schwierig.

Das Antennenphasenzentrum der GPS-Antennen ist näherungsweise durch die Kalibrationswerte der Herstellerfirmen gegeben. Die effektiven Phasenzentren können aber einige Millimeter von diesen Firmenwerten abweichen. Will man das Phasenzentrum sehr genau kennen, muss jede Antenne separat kalibriert werden.

Die Vernetzungssoftware GPS-Net der Firma Trimble Terrasat GmbH wird für den swipos-GIS/GEO-Dienst benutzt. GPS-Net basiert auf dem Prinzip der virtuellen Referenzstationen. Von den oben erwähnten Fehlern werden insbesondere die Ionosphären- und die Bahnfehler der Satelliten berücksichtigt. Die systematischen Fehler werden in zwei Gruppen aufgeteilt:

• Geometrische Korrekturen (Troposphäre und Ephemeridenfehler)
• Ionosphärische Korrekturen